Расчет шихты для выплавки стали марки 12Х2НВФА

В технологию производства включаются следующие этапы: заправка печи, загрузка шихты, период плавления, окислительный период, восстановительный период, выпуск стали, разливка.

Заправка печи производится периодически, после каждого выпуска стали, в течении разливки стали в изложницы, перед завалкой печи. Обычно по времени она занимает 5-10 минут. Целью заправки является местный ремонт футеровки в местах, где произошло её механическое повреждение или химиче6ское взаимодействие со шлаком (шлаковый пояс). Заправка печи осуществляется путём набрасывания на поверхность футеровки торекретирующей массы, состоящего из магнезитового порошка и жидкого стекла. Жидкое стекло в данном случае служит связующим материалом. Такая масса лучше сваривается с поверхностью футеровки, а расход магнезитового порошка уменьшается. Во время заправки также подготавливается сталевыпускное отверстие и сливной жёлоб, которые очищаются от остатков металла и шлака. Затем сталевыпускное отверстие заделывается сухим магнезитовым порошком, поверх него - влажным магнезитом, во избежание осыпания первого при наклоне печи в сторону разливочного пролёта

По окончании заправки печи производят завалку. Отводят свод и первым подают в печь порцию известняка - 0,229 кг (10% от G_изв (23)), для наведения первичного шлака, порцию кокса - 0,33 кг в качестве науглероживателя, затем подают никель - 0,8 кг, ферровольфрам - 1,8 кг, углеродистый лом - 97,07 кг. Завалка производится в два приёма бадьями сверху. Металлолом укладывается в бадью следующим образом: на дно - легковесный лом, чтобы смягчить удар о футеровку тяжеловесного лома, затем тяжеловес и средневес.

После завалки печи свод заводится на печь, опускается. Производится контроль экономайзеров и электродов. Затем электроды припускают, включают питание и начинают период плавления. В этот период шихта расплавляется, образуются колодцы, первичная ванна металла и слой шлака, которые защищают подину от воздействия дуг и подплавляют шихту снизу.

В этот период ведутся следующие работы:

1) опорожнение шлаковни и подготовка её к следующему скачиванию шлака;

2) сталкивание крупных кусков шихты в толщу металла шомполом, если это необходимо;

3) взятие нулевой пробы на химанализ по содержанию углерода и фосфора;

4) подсчёт и взвешивание ферросплавов, необходимых для раскисления: SiMn - 3,78 кг/т, FeSi - 3,83 кг/т.

При полном расплавлении отбирается первая проба.

По завершению периода расплавления начинается период окисления. В этот период плавка ведётся с применением железной руды - 2,02 кг и технического кислорода - 1,804 кг. Условно принимается, что технический кислород расходуется лишь на реакцию окисления углерода и железа, а остальные окислительные реакции идут за счёт закиси железа железной руды.

В процессе окислительного периода ведём операцию наведения шлака присадками извести - 5,08 кг, и скачивания шлака (возможно неоднократно), также производится отбор 2 и 3 проб, контролируя содержание углерода. Как только получаем содержание углерода - 0,12%, окислительный период заканчиваем и переходим к операции раскисления металла и восстановительному периоду.

В восстановительный период ведутся следующие операции:

1) Присадка раскислителей и легирующих: СМн20 - 3,78 кг; ФС75 - 3,83 кг; ФХ200 - 3,58 кг; ФВд50Б - 0,41 кг.

2) Одновременно с присадками наводим шлак, подавая в печь дополнительные порции извести.

3) Раскисление шлака коксом - 0,097кг.

4) Взятие 4,5 и 6 проб.

5) Приготовление торкрет-массы.

6) Замер температуры перед выпуском.

7) Взвешивание алюминия, подаваемого для окончательного раскисления - 0,066кг.

Далее следует выпуск стали из печи. Выпуск производится в разогретый ковш. На дно ковша кидают алюминий, пробивают сталевыпускное отверстие шомполом, наклоняют печь. Во время выпуска проводят корректировку металла по химсоставу (если это необходимо) присадками молотого кокса, ферросилиция, известняка в струю металла. После наполнения ковша на поверхность металла накидывают слой молотого кокса для предотвращения замерзания металла в верхних слоях и окисления шлака кислородом атмосферы. Производится повторный замер температуры. При достижении необходимой, разливаем металл в изложницы.

3. РАСЧЕТНАЯ ЧАСТЬ

3.1 Исходные данные

Расчет материального баланса производится на 100 кг шихты (углеродистый лом + кокс + никель + феррованадий + ферровольфрам). Никель и вольфрам обладают меньшим сродством к кислороду, чем железо, поэтому их обычно задают в печь в составе металлической завалки.

Химический состав углеродистого лома, кокса, никеля и готовой стали приведен в табл. 1

Таблица 1 Состав исходных материалов и готовой стали

Химический состав шлакообразующих, окислителей и заправочных материалов приведен в табл.2.

Таблица 2

Химический состав применяемых при плавке раскислителей и легирующих приведен в таблице 3.

Таблица 3

На основе практических данных в таблице 4 приведены коэффициенты усвоения элементов из применяемых ферросплавов и кокса.

сталеплавильный цементация углеродистый лом

Таблица 4

3.2 Расчет составляющих завалки

Задаемся химическим составом готовой стали, который приведен в таблице 5.

Таблица 5

Соотношение между составляющими шихты определяется следующим образом:

1. Шихта по никелю.

Исходя из состава выплавляемой стали, для получения [Ni]_Г.М. = 1,1 % необходимо в шихту внести металлического никеля

(1)

где [Ni]_Г.М - содержание никеля в готовом металле, %;

Ni_Ni - содержание никеля в металлическом никеле, %;

з_Ni - коэффициент усвоения никеля из металлического никеля, %;

G_Ш - количество шихты, кг.

2. Шихта по вольфраму.

Исходя из состава выплавляемой стали, для получения [W]_Г.М. = 1.2 % необходимо в шихту внести металлического вольфрама

(2)

где [W]_Г.М - содержание вольфрама в готовом металле, %;

W_W - содержание вольфрама в ферровольфраме, %;

з_W - коэффициент усвоения вольфрама из ферровольфрама, %;

G_Ш - количество шихты, кг.

3. Шихтовка по углероду.

Согласно данным табл.1 углерод в шихту вносится углеродистым ломом и коксом, углеродом ферровольфрама и феррованадия можно пренебречь, т.е.

С_Ш = С_{УГЛ.ЛОМ} + С_К(3)

После расплавления шихты в металле должно быть углерода С_РАСПЛ.

С_РАСПЛ. = С_Ш - ДС_Р, % (4)

где ДС_Р - количество окисленного углерода в период расплавления, %.

В зависимости от количества окислителя, легковесности металлического лома и других факторов ДС_Р = 0,1-0,2 % по абсолютной величине. Принимаем ДС_Р = 0,15 %. В то же время содержание углерода в металле по расплавлению можно выразить соотношением

С_РАСПЛ. = С_К.О.П. + ДС_О.П.(5)

где С_К.О.П. - содержание углерода в металле в конце окислительного периода, %;

ДС_О.П. - количество окисленного углерода в окислительный период, %.

По практическим данным в целях хорошей дегазации в окислительный период окисляются от 0,2 до 0,5 % углерода. Принимаем ДС_О.П = 0,3 %. С_К.О.П можно выразить соотношением

С_К.О.П = С_Г.СТ. - ДС_В.П.(6)

где С_Г.СТ.- содержание углерода в готовой стали, % (согласно таблице 5, С_Г.СТ.=0,12 %);

ДС_В.П. - количество углерода, вносимого в металл в восстановительный период, %.

Подставляя в уравнение (5) выражение (6), получим

С_РАСПЛ. = С_Г.СТ. - ДС_В.П. + ДС_О.П.(7)

Из равенства (2) и (5) получаем С_Ш - ДС_Р = С_Г.СТ. - ДС_В.П. + ДС_О.П, следовательно

С_Ш= С_Г.СТ.+ ДС_Р + ДС_О.П - ДС_В.П.(8)

3.3 Определение количества углерода, внесенного в металл в восстановительный период (ДС_В.П.)

В восстановительный период углерод вносится в металл за счет присадок ферросплавов и науглероживания через шлак при раскислении его коксом. При плавке стали под белым шлаком науглероживание металла (ДС_НАУГЛ.) колеблется в пределах 0,01 - 0,03 %. Принимаем ДС_НАУГЛ. = 0,01 %, тогда

ДС_В.П. = ДС_НАУГЛ. + С_ФЕР.(9)

где С_ФЕР. - количество углерода, внесенного в металл ферросплавами, %.

Количество углерода, внесенное в металл ферросплавами

(10)

где [X]_Г.СТ. - содержание легирующего элемента в готовой стали (таблице 5), %;

[С] _ФЕР. - содержание углерода в данном ферросплаве (таблице 3), %;

[Х] _ФЕР.-содержание легирующего элемента в данном ферросплаве (табл.3), %;

з_Х - коэффициент извлечения легирующего элемента из ферросплава, (таблица 4), %.

Из таблица 3 следует, что самое высокое содержание углерода в феррохроме марки ФХ200, содержанием углерода в других применяемых ферросплавах можно пренебречь.

Принимаем С_ФХ200 = 2,0 %, Cr_ФХ200 = 60,0%, [Cr]_Г.СТ. = 2,1 %, з_Cr = 95 %.

Имеем

Следовательно: ДС_В.П. = 0,01 + 0,074 = 0,084 %.

Определим из уравнения (8) содержание углерода в шихте

С_Ш = 0,12 + 0,15 + 0,3 - 0,084 = 0,486 %.

Количество углерода в шихте равно

(11)

В соотношении (3)

(12)

Из таблицы 1 и таблицы 4 принимаем С_К = 84 %, з_С = 60%.

Имеем

3.4 Определение количества углеродистого лома (G_{УГЛ. ЛОМА})

Вес углеродистого лома в завалке составит

G_{УГЛ. ЛОМА} = G_Ш - G_{Ni мет.} - G_ФВ200 - G_К = 100,0 - 0,8 - 1,8 - G_К = 97,4 - G_К, кг (13)

Это количество углеродистого лома внесет углерода

(14)

где С_{УГЛ.ЛОМ} - содержание углерода в углеродистом ломе (таблица 1), %

Полученные значения С_Ш, и G_К подставляем в выражение (1), получаем

(15)

Решая уравнение (15), определяем G_К = 0,33 кг, тогда G_{УГЛ. ЛОМА} = 97,07 кг.

Таким образом, для выплавки стали марки 12Х2НВФА принимается следующий состав шихтовых материалов:

Таблица

Количество элементов, внесенных в металл шихтовыми материалами приведено в таблицу 6.

Таблица 6 Количество элементов, внесенных в металл шихтовыми материалами

* сера и летучие кокса переходят в статью улёта, зола кокса переходит в шлак, этими составляющими можно пренебречь, так как их величина слишком мала.

3.5 Период расплавления и окислительный период

Плавку ведем с применением железной руды и технического кислорода. Условно принимаем, что технический кислород расходуется лишь на реакцию окисления углерода и железа, а остальные окислительные реакции идут за счет закиси железа железной руды. В период расплавления и окислительный период окисляются следующие элементы:

углерод окисляется на

?С = ?С_Р + ?С_О.П. = 0,15 + 0,3 = 0,45 % или

;

кремний окисляется полностью - 0,203 кг;

марганец окисляется на 55 - 70 %. Принимаем - 65 %, или

сера, никель, вольфрам полностью переходят в металл;

фосфора в готовом металле должно быть 0,01 %. Следовательно, нужно окислить ?Р = 0,04 - 0,01 = 0,03 %, или

;(16)

железо окисляется на 2 - 4 %. Принимаем - 3 %, или

.

По практическим данным около 90% железа окисляется до Fe₂O₃ и испаряется в зоне электрических дуг, около 10 % окисляется до FeO и Fe₂O₃ и переходит в шлак, причем задаемся соотношением FeO / F₂О₃ - 2-4. Принимаем FeO / F₂О₃ - 3, т.е. из 10 % окислившегося железа в шлак 7,5 % железа окисляется до FeO, а 2,5 % железа - до Fe₂O₃.

Таким образом, в шлак переходит

кг Fe.

Из этого количества окисляется

до FeO кг;

до Fe₂O₃ кг.

В зоне электрических дуг испаряется

кг Fe и Fe₂O₃

Таблица 7 Количество закиси железа (FeO) и образовавшихся оксидов

В таблице 8 приводится необходимое количество кислорода для окисления углерода и железа шихты и количество образовавшихся оксидов.

Таблица 8 Количество кислорода и образовавшихся оксидов

3.6 Определение количества шлака окислительного периода и периода расплавления

Одной из задач окислительного периода является удаление фосфора из металла. По существующей технологии около 80% Р удаляется из металла в период расплавления, а остальное количество - в начале окислительного периода.

Диаграмма, характеризующая зависимость от содержания закиси железа в шлаке и от основности шлака, выраженной отношением СаО/ SiO₂ приведена в методическом указании [1].

Коэффициент распределения фосфора между шлаком и металлом выражается следующим соотношением

,(17)

где (Р₂О₅)/[P]² - коэффициент распределения между металлом и шлаком;

Р_исх - содержание фосфора в шлаке, %;

[P] - содержание фосфора в готовом металле, %;

Ш_о.п. - количество шлака, % (от веса металла).

Принимаем CaO/SiO₂ = 1,9; FeO = 18 %; t = 1590^oC.

Согласно данным [1] получаем P₂O₅/[P]² = 12589.

Из выражения (17) определяем количество шлака. Принимаем Р_исх = 0,04 %; [P] = 0,01%, имеем

кг

3.7 Определение состава шлака окислительного периода

Для упрощения расчета принимаем, что шлак в основном состоит из оксидов примесей, для хорошей дефосфорации приняли, что (FeO) = 18 %, а основность шлака CaO/SiO₂ = 1,9.

По практическим данным около 10 % MgO из подины перейдет в шлак, т.е.

(19)

Количество (MnO), (P₂O₅), (Fe₂O₃) приведено в таблице 7 и 8. Количество (FeO), (MgO), содержащиеся в шлаке :

кг,(20)

кг.(21)

Так как основность шлака CaO/SiO₂ = 1,9, содержание CaO в шлаке можно выразить CaO = 1,9 SiO₂. Таким образом, получаем из уравнения (19)

кг;

Данные о приближенном весовом количестве и химическом составе шлака окислительного периода приведены в таблице 9.

Таблица 9

3.8 Определение расхода извести и кварцита

В результате окисления кремния (таблица 7) в состав шлака входит кг. Следовательно присадкой кварцита необходимо внести кремнезема кг. Тогда расход кварцита G_кв.(в кварците содержится 98% SiO₂ (смотри таблица 2) для обеспечения заданной основности шлака

кг.(22)

Расход извести G_изв. (в извести содержится 92% CaO) (смотри таблица 2) для обеспечения заданной основности шлака равен

кг(23)

3.9 Определение расхода железной руды

Для поддержания в шлаке FeO = 18 % требуется 0,98 кг FeO, но в шлаке уже есть 0,278 кг FeO (смотри таблица 8). Следовательно, потребность в FeO составляет: (FeO) = 0,98 - 0,278 = 0,702 кг. При окислении элементов Mn, Si, P тратится 1,758 кг FeO (см. таблица 7). Таким образом, общая потребность в FeO равна: FeO = 0,702 + 1,758 = 2,46 кг. Необходимое количество FeO вносится железной рудой, химический состав которой приведен в таблице 2.

В пересчете на Fe₂O₃ по реакции

(Fe₂O₃)_ж.р.+[Fe] = 3(FeO)(24)

потребуется следующее количество Fe₂O₃:

кг

Необходимо в печь присадить железной руды

кг.(25)

3.10 Определение состава металла конца окислительного периода

Для определения состава металла в конце окислительного периода используются данные таблица 6-8.

Химический состав металла в конце окислительного периода приведен в таблице 10.

Таблица 10

Восстановительный период плавки проводим под белым шлаком. По окончании окислительного периода начисто убираем шлак окислительного периода.

3.11 Определение количества шлака восстановительного периода

Количество шлака определяем, исходя из задачи десульфурации. Необходимо удалить из металла такое количество серы, чтобы остаток её не превышал содержание серы в готовом металле в соответствии с ГОСТ.

Принимаем [S]_г.м. = 0,015 %. В конце окислительного периода металл содержал 0,050 % серы (см. таблица 10). Таким образом необходимо удалить

0,050 - 0,015 = 0,035 % S.

Это количество соответствует

кг.(26)

Коэффициент распределения серы между шлаком и металлом составляет 15-40, а в наиболее благоприятных условиях достигает 60. Для промышленной электропечи можно принять коэффициент распределения серы между шлаком и металлом

(27)

Шлак должен содержать серы

(28)

Отсюда количество шлака восстановительного периода Ш_в.п.

кг(29)

В восстановительный период частично окисляются из металла проходящим через печь воздухом железо и марганец. Для упрощения расчета пренебрегаем окислением марганца. На основании практических данных в нераскисленном шлаке восстановительного периода содержится 5-7 % FeO. Принимаем

(FeO)_в.п.= 6 %, т.е.

кг(30)

По практическим данным шлак восстановительного периода наводится из шлаковой смеси (G_{шл. см.}), в состав которой входят известь, плавиковый шпат, шамот в соотношении 5:1:1

кг.(31)

Следовательно, в шлаковой смеси содержится

кг,

кг,

кг.

3.12 Определение состава шлака восстановительного периода

При определении состава шлака восстановительного периода учитываем только основные составляющие, вносимые шлакообразующими.

Данные о приближенном составе и количестве шлака восстановительного периода приведены в таблице 11.

Таблица 11

*Считать, что CaF₂ полностью переходит в шлак.

3.13 Определение количества раскислителей и легирующих

При плавке с восстановительным периодом феррохром вводят сразу после скачивания окислительного шлака перед вводом шлакообразующих.

Рафинирование металла целесообразно начинать с глубинного раскисления металла сильным раскислителем, присаживаемым на зеркало металла (Si, Al).

После этого наводят восстановительный шлак, который с самого начала интенсивно обрабатывают углеродом и кремнием.

Потребность в раскислителях и легирующих определяется по формуле

,(32)

где - количество необходимого ферросплава, кг;

[X]_к.о.п. - содержание легирующего элемента в металле в конце окислительного периода, % (см. таблица 10);

[X]_фер. - содержание легирующего элемента в ферросплаве, % (см. таблица 3);

з - коэффициент усвоения легирующего элемента из данного ферросплава.

В излагаемом расчете принимаем, что осадочное раскисление проводим силикомарганцем марки СМн 20, диффузионное раскисление осуществляем порошком ферросилиция марки ФС 75 и порошком кокса, а окончательное раскисление осуществляется алюминием, подаваемым на штангах в металл за 2-3 минуты до выпуска.

Используя выражение (32), определяем необходимое количество силикомарганца из расчета получения в готовом металле [Mn]_г.м.= 0,5. Вес металла G_мет условно принимаем равным весу металла в конце окислительного периода (таблица 10). Принимаем Mn_СМн= 70,0% (таблица 3), з_Mn= 97,0 (таблица 4)

(33)

Силикомарганец вносит в металл также и кремний, причем по практическим данным принимаем, что 30 % кремния силикомарганца расходуется на раскисление, а 70 % кремния используется для легирования металла, т.е. з_Si= 70 %

Определяем содержание кремния в металле, внесенного полученным количеством силикомарганца, принимаем Si_CMn20 = 24 % (таблица 3):

(34)

Определяем количество феррохрома марки ФХ200, необходимого для легирования металла хромом из расчета получения в готовом металле [Cr]_г.м.=2,1%. Принимаем Cr_ФХ200 = 60,0 % (таблица 3), з_Сr = 95 % (таблица 4).

(35)

Феррохром вносит в металл некоторое количество кремния. Принимаем , условно принимаем з_Si= 70. Определяем полученное в металле содержание кремния при присадке феррохрома

(36)

Определяем количество феррованадия марки ФВд50Б, необходимого для легирования металла ванадием из расчета получения в готовом металле [V]_г.м.=0,2%. Принимаем V_ФВд50б = 50,0 % (таблица 3), з_V = 95 % (таблица 4).

(35)

Феррованадий вносит в металл некоторое количество кремния. Принимаем , условно принимаем з_Si= 70. Определяем полученное в металле содержание кремния при присадке феррованадием

Таким образом, силикомарганец, феррохром и феррованадий внесут в металл кремния .

Расход порошкообразного ферросилиция определяем, исходя из получения в готовом металле . При этом принимаем (таблица 3), , т.е. 50% кремния ферросилиция расходуется на раскисление (диффузионное), а 50% кремния - на легирование металла.

(37)

По практическим данным расход кокса на раскисление шлака 1 -2 кг на 1 т металла. Принимаем расход кокса (g_к) - 1,0 кг/т. Необходимое количество кокса

(38)

Результаты раскисления шлака восстановительного периода приведены в таблице 12.

Таблица 12 Раскисление шлака коксом и ферросилицием

Примечание. - коэффициент усвоения углерода кокса при диффузионном раскислении; по практическим данным принимаем = 30 %; - коэффициент усвоения кремния ферросилиция при диффузионном раскислении, по практическим данным принимаем = 30 %.

Уточненный состав шлака восстановительного периода определяем, используя данные таблицы 11 и 12. Уточненный состав шлака восстановительного периода приведен в таблице 13.

Таблица 13

По практическим данным за 2-3 мин до выпуска в металл вводят алюминий в количестве 0,5-0,6 кг/т для среднеуглеродистых сталей и 0,7-0,8 кг/т при выплавке малоуглеродистых сталей.

В нашем случае принимаем расход алюминия (g_Al) равным 0,7 кг/т

Количество основных элементов, вносимых раскислителями и легирующими, приведено в таблице 14.

Таблица 14 Количество элементов, вносимых ферросплавами

Примечание. Принимаем, что железо ферросплавов полностью переходит в металл. Переход в металл серы, углерода, фосфора для упрощения расчета не учитывается.

3.14 Определение состава готового металла

При расчете шихтовки по углероду было определено, что ?С_В.П. = 0,084 %. Что соответствует

(39)

При окислении железа воздухом, проходящим через печь, имеет место реакция

(40)

Из металла окислится железо в количестве

(41)

Состав готового металла определяем, используя данные таблиц 10, 12, 14. Состав готового металла приведен в таблице 15.

Таблица 15 Химический состав готового металла

3.15 Определение расхода шихтовых материалов на 1 т стали

Расход шихтовых материалов определяется

где - количество шихтовых материалов, кг;

- вес готового металла, кг.

Металлический лом

кг

Кокс

кг

Никель

кг

Известь

кг

Кварцит

кг

Шамот

кг

Плавиковый шпат

кг

Газообразный технический кислород

кг

Железная руда

кг

Силикомарганец

кг

Ферросилиций

кг

Феррохром

кг

Феррованадий

кг

Алюминий

кг

Список литературы

Влияние различных факторов на содержание Р в жидкой стали. Методическое указание к выполнению практической работы по дисциплине «Электрометаллургия стали и ферросплавов» для студентов специальности 110100 «Металлургия чёрных металлов» дневной формы обучения. - Юрга: ИПЛ ЮТИ ТПУ, 2005.-12с.

Сорокин Ю.Г., Волосникова А.В. Марочник сталей и сплавов. М.: Машиностроение, 1989. - 640 с.

Солнцев И.Д., Веселов В.А. и др. Металловедение и технология металлов. М.: Металлургия, 1988. - 512 с.

Кудрин В.А. Металлургия стали. М.: Металлургия, 1989-560с.

Чёрная металлургия: Методические указания для студентов специальности 110100 «Металлургия чёрных металлов». Специализация 110103 Электрометаллургия - Юрга: ИПЛ ЮФ ТПУ.2001 - 35с.

Размещено на Allbest.ru